一种力学综合实验测量装置的制作方法

本发明属于高中物理实验教学用具技术领域，具体地是涉及一种力学综合实验测量装置。

背景技术：

随着素质教育和新课程改革的不断推进，依据高中物理新课程标准对高中物理教学实验新的要求，结合物理实验教学近17年的经验，发现教材中呈现出的实验装置完成实验存在一定困难，很难达到课程要求。比如，探究功与速度变化的关系这个实验，包括两个角度来探究功与速度变化关系，一个角度是恒力做功，另一个角度是变力做功。用变力做功来探究这个实验，在平时教学过程中很难做成功，然而近几年分别在2013年和2016年的两年高考力学实验中考查了探究轻弹簧的弹性势能。换言之，高考频频考查了弹簧变力做功问题，引起了我对弹簧变力做功问题的重视。我们使用教材的理念在于“用教材教”，而不是“教教材”，平时研究原型实验，高考需要应对变型实验。

在以往教学中的普通高中课程标准实验教科书人教版物理教材上给出的是用橡皮筋对小车做功来探究功与速度变化的关系；如图1所示的，是一种早年出现于教科书中的探究功与速度变化关系的实验装置，其是辽宁省2006年课改后人教版教材给出的实验装置，其采用的是木板作为整个实验装置的载体，在木板上放置小车以及与小车配合使用的打点计时器；此套实验装置没有设置专门的小车车轮使用的轨道而且所使用的弹性装置是橡皮筋，其实验方法是当平衡摩擦力后利用橡皮筋形成的互成角度的共点力来牵引小车，即使该实验在误差允许的范围内，但是也很难操作成功。该实验装置所存在的弊端：1.小车很难沿着直线运动，无法测量运动过程的末速度；2.小车运动的轨迹不稳定，每次实验很难保证橡皮筋的伸长量相同；3.该实验装置只能实现这一种力学中的功与速度变化关系的实验，力学实验探究性单一，已经不足以满足力学实验需求。

还有曾在2007年05月08日公开的专利号为200720108918.3的发明专利，专利名称为:“探究功与物体速度变化的关系的实验装置”；此实验装置包括小车、橡皮筋、打点计时器、两根相互平行的轨道，小车通过轮子放置于两根相互平行的轨道上，轨道由螺丝固定在前板、后板之间，后板底部有两个调节螺丝；打点计时器放置于轨道的靠后板处；小车后面夹住的打点纸穿过打点计时器，小车前面中间的钩钩牢橡皮筋的中部，橡皮筋的两端分别固定在前板两侧设有的两个小钩上；小车中部是一空槽；小车的车轮有内侧凸起边缘；橡皮筋为两端有小圆圈的橡皮筋。此实验装置虽然将以往教学中的探究功与速度变化关系的实验装置中的木板改进成专门用于小车车轮的轨道，但是其仍然使用的是橡皮筋，而且仍然是利用橡皮筋所形成的互成角度的共点力来牵引小车；因此，仍然是存在上述的以往实验装置的弊端。

如图2所示的，是一种上述的以往实验装置改进后的实验装置，其是在2006年之后时隔4年的2010年人教版第三版教科书中给出的探究功与速度变化关系的实验装置，也是学生们现在使用的人教版教科书，它是在原有实验装置基础上进行改进的，将原有的橡皮筋所形成的互成角度的共点力改为平行力，然而改进后方法仍然存在以下几个问题：1.小车到固定橡皮筋处的距离较短，很难保证加速后出现匀速运动，如果加长，在市场上，很难买到符合实验条件的橡皮筋；2.加上多条橡皮筋时，小车不稳定，会发生跳跃，就无法测出小车的末速度；3.无论什么样规格的橡皮筋都有一定的截面积，无法实现多个平行力对小车做功。

技术实现要素：

本发明就是针对上述问题，弥补现有技术的不足，提供一种力学综合实验测量装置；本发明有效地控制了小车的运动方向，增强了实验的可操作性，更有利于通过增加弹簧数量对功进行间接测量，增强了小车受力的稳定性，造价成本低，可以批量生产便于学生分组实验；本发明还可以用于以下四个实验：探究恒力做功与速度变化关系；探究小车速度随时间变化关系；探究加速度与力、质量的关系；还能探究轻弹簧的弹性势能与弹簧形变量之间关系。

为实现上述目的，本发明采用如下技术方案。

本发明是一种力学综合实验测量装置，包括小车、打点计时器以及导轨，小车底部的四个滚轮用于在导轨上滑动，其特征在于：所述的导轨后端固定连接有计时器安装座，所述的打点计时器安装在计时器安装座上，所述的计时器安装座上前端、与导轨固定相连处设置有轴杆安装板，所述的轴杆安装板上连接有根数大于等于1根的轴杆，位于导轨侧的轴杆上套接有轻弹簧；所述的小车车尾部上设置有弹簧限位板，所述的弹簧限位板与轴杆上的轻弹簧相对，在导轨上后部设置有小车底盘卡接及按压施放弹力开关，所述的小车上设置有多个钩码槽，所述的钩码槽内放置钩码；所述的小车车头部上连接有线绳，所述的导轨前端设置有定滑轮，所述的线绳连接于定滑轮上，所述的小车车尾部上固定连接有纸带，所述的纸带穿过轴杆安装板并连接于打点计时器上。

作为本发明的一种优选方案，所述的计时器安装座上后端设置有固定螺纹顶杆，所述的固定螺纹顶杆穿过计时器安装座抵接于打点计时器上；所述的打点计时器采用电火花式打点计时器。

作为本发明的另一种优选方案，所述的导轨后端两侧分别设置有外凸平衡连接板，所述的外凸平衡连接板上连接有平衡调节螺杆和螺帽。

作为本发明的另一种优选方案，所述的轴杆根数为5根，所述的轴杆安装板上设置有5个轴杆安装孔，5根轴杆分别固定于轴杆安装板上的上下、左右以及中间的5个轴杆安装孔中；所述的5根轴杆均由圆杆段和螺纹杆段组成，圆杆段和螺纹杆段一体成型；所述的圆杆段位于轴杆安装孔的导轨侧，所述的螺纹杆段位于轴杆安装孔的计时器安装座侧，轴杆的螺纹杆段通过螺母和垫片固定于轴杆安装板上。

作为本发明的另一种优选方案，或者所述的轴杆根数为1根，该1根轴杆为整体带螺纹的螺杆且一端固定于轴杆安装板上，该螺杆上设置有轻弹簧放置位置调节螺母和挡片。

作为本发明的另一种优选方案，所述的轻弹簧个数与轴杆根数相对应；所述的轻弹簧为直径1.5mm、长6.5cm、锰65的轻弹簧。

作为本发明的另一种优选方案，所述的钩码个数为6个。

作为本发明的另一种优选方案，所述的弹簧限位板上设置有5个轴杆穿过孔，5个轴杆穿过孔的位置与轴杆安装板上的5个轴杆安装孔相对应，轴杆穿过孔的直径大于轴杆圆杆段的外径且小于轻弹簧的直径。

作为本发明的另一种优选方案，所述的导轨上前端设置有导轨前端缓冲杆。

作为本发明的另一种优选方案，所述的小车车头部上设置有带孔连接头，所述的线绳一端固定于带孔连接头上。

具体地，在将小车向导轨后端拉动进行压缩轻弹簧时，所述的小车底盘卡接及按压施放弹力开关能够钩住小车底盘使小车固定住；当需要释放小车时，只需按压下小车底盘卡接及按压施放弹力开关，在小车底盘卡接及按压施放弹力开关的作用下即能够实现使小车沿导轨向导轨前方移动。

本发明的有益效果。

本发明所提供的一种力学综合实验测量装置，通过用导轨替代木板，有效地控制了小车的运动方向，增强了实验的可操作性；用轻弹簧替代橡皮筋，可以有效控制弹簧的改变量，更有利于通过增加弹簧数量对功进行间接测量；多根轻弹簧产生的平行力替代多条橡皮筋产生的共点力，增强了小车受力的稳定性；本实验在已有仪器的基础上进行改进，造价成本低，可以批量生产便于学生分组实验；此外，该实验装置还可以用于以下四个实验：探究恒力做功与速度变化关系；探究小车速度随时间变化关系；探究加速度与力、质量的关系；还能探究轻弹簧的弹性势能与弹簧形变量之间关系。

附图说明

为了使本发明所解决的技术问题、技术方案及有益效果更加清楚明白，以下结合附图及具体实施方式，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施方式仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

图1是2006年课改后人教版教材给出的实验装置的结构示意图。

图2是2010年人教版第三版教科书中给出的探究功与速度变化关系的实验装置的结构示意图。

图3是本发明一种力学综合实验测量装置的一种实施例主视结构示意图。

图4是本发明一种力学综合实验测量装置的一种实施例俯视结构示意图。

图5是本发明一种力学综合实验测量装置的轴杆安装板的结构示意图。

图6是本发明一种力学综合实验测量装置的弹簧限位板的结构示意图。

图7是本发明一种力学综合实验测量装置的轴杆的一种实施例结构示意图。

图8是本发明一种力学综合实验测量装置的另一种实施例主视结构示意图。

图9是本发明一种力学综合实验测量装置的另一种实施例俯视结构示意图。

图中标记说明：1为固定螺纹顶杆、2为计时器安装座、3为打点计时器、4为纸带、5为轴杆安装板、7为轻弹簧、8为小车底盘卡接及按压施放弹力开关、9为钩码、10为小车、11为带孔连接头、12为线绳、13为导轨前端缓冲杆、14为定滑轮、15为外凸平衡连接板、16为平衡调节螺杆、17为弹簧限位板、18为导轨、19为轴杆安装孔、20为轴杆穿过孔、21为螺杆、22为轻弹簧放置位置调节螺母、23为圆杆段、24为螺纹杆段。

具体实施方式

结合附图1和2所示，本发明一种力学综合实验测量装置，包括小车10、打点计时器3以及导轨18，小车10底部的四个滚轮用于在导轨18上滑动，其特征在于：所述的导轨18后端固定连接有计时器安装座2，所述的打点计时器3安装在计时器安装座2上，所述的计时器安装座2上前端、与导轨18固定相连处设置有轴杆安装板5，所述的轴杆安装板5上连接有根数大于等于1根的轴杆，位于导轨18侧的轴杆上套接有轻弹簧7；所述的小车10车尾部上设置有弹簧限位板17，所述的弹簧限位板17与轴杆上的轻弹簧7相对，在导轨18上后部设置有小车底盘卡接及按压施放弹力开关8，所述的小车10上设置有多个钩码槽，所述的钩码槽内放置钩码9；所述的小车10车头部上连接有线绳12，所述的导轨18前端设置有定滑轮14，所述的线绳12连接于定滑轮14上，所述的小车10车尾部上固定连接有纸带4，所述的纸带4穿过轴杆安装板5并连接于打点计时器3上。

作为本发明的一种优选方案，所述的计时器安装座2上后端设置有固定螺纹顶杆1，所述的固定螺纹顶杆1穿过计时器安装座2抵接于打点计时器3上；所述的打点计时器3采用电火花式打点计时器。

作为本发明的另一种优选方案，所述的导轨18后端两侧分别设置有外凸平衡连接板15，所述的外凸平衡连接板15上连接有平衡调节螺杆16和螺帽。

作为本发明的另一种优选方案，所述的轴杆根数为5根，所述的轴杆安装板5上设置有5个轴杆安装孔19，5根轴杆分别固定于轴杆安装板5上的上下、左右以及中间的5个轴杆安装孔19中；所述的5根轴杆均由圆杆段23和螺纹杆段24组成，圆杆段23和螺纹杆段24一体成型；所述的圆杆段23位于轴杆安装孔19的导轨18侧，所述的螺纹杆段24位于轴杆安装孔19的计时器安装座2侧，轴杆的螺纹杆段24通过螺母和垫片固定于轴杆安装板5上。

作为本发明的另一种优选方案，所述的弹簧限位板17上设置有5个轴杆穿过孔20，5个轴杆穿过孔20的位置与轴杆安装板5上的5个轴杆安装孔19相对应，轴杆穿过孔20的直径大于轴杆圆杆段23的外径且小于轻弹簧7的直径。

作为本发明的另一种优选方案，或者所述的轴杆根数为1根，该1根轴杆为整体带螺纹的螺杆21且一端固定于轴杆安装板5上，该螺杆21上设置有轻弹簧放置位置调节螺母22和挡片。

如图8和9所示的，为本发明一种力学综合实验测量装置的另一种实施例的主视和俯视结构示意图；图8和9即为轴杆根数为1根的实施例结构图，在此种情况下即可实现通过调节图中的轻弹簧放置位置调节螺母22在螺杆21上的位置从而改变轻弹簧7的长度，利用此实施例即可实现完成探究轻弹簧7的弹性势能与弹簧形变量之间关系的实验。

作为本发明的另一种优选方案，所述的轻弹簧7个数与轴杆根数相对应；所述的轻弹簧7为直径1.5mm、长6.5cm、锰65的轻弹簧。

作为本发明的另一种优选方案，所述的钩码9个数为6个；通过在线绳12的末端挂上不同质量的钩码9，能够实现完成探究加速度与力、质量的关系的实验以及探究恒力做功与速度变化关系、探究速度与时间关系的实验。

作为本发明的另一种优选方案，所述的导轨18上前端设置有导轨前端缓冲杆13。

作为本发明的另一种优选方案，所述的小车10车头部上设置有带孔连接头11，所述的线绳12一端固定于带孔连接头11上。

具体地，在将小车10向导轨18后端拉动进行压缩轻弹簧7时，所述的小车底盘卡接及按压施放弹力开关8能够钩住小车10底盘使小车固定住；当需要释放小车时，只需按压下小车底盘卡接及按压施放弹力开关8，在小车底盘卡接及按压施放弹力开关8的作用下即能够实现使小车10沿导轨18向导轨前方移动；需说明的是，此处所述的小车底盘卡接及按压施放弹力开关8为可从现有技术中直接获得的一种开关，将其直接安装于本发明的力学综合实验测量装置上进行使用即可，因此其具体结构在本发明中不加以赘述。

另外，需说明的是，在使用本发明的力学综合实验测量装置做实验时，在需要的情况下，可在计时器安装座2的上面加装一块垫板，以保证打点计时器3安装在计时器安装座2上时，打点计时器3的高度与小车车尾部固定纸带4位置的高度保持一致，这样以保证纸带4水平，以减小误差。

分别在此简答介绍采用本发明的力学综合实验测量装置来完成以上所述的几种实验的操作方法及步骤：本发明的力学综合实验测量装置的一种探究功与速度变化关系的实验操作步骤如下。

（1）平衡摩擦力：导轨18上打好润滑油，反复调节平衡调节螺杆16，直至不加轻弹簧7，轻轻推小车10，纸带4打出的点间距均匀，即小车10能匀速运动为止；

（2）先用一根轻弹簧7，放到5根轴杆的中间轴杆上并利用轴杆安装板5和弹簧限位板17压缩弹簧做实验，理顺纸带4，接通打点计时器3的电源，释放小车10。用打点计时器3和纸带4测出小车10获得的速度，设此时轻弹簧7对小车10做的功为w，将这一组数据记入表格；

（3）用两根同样规格轻弹簧7，放到两侧的轴杆上做实验，实验中轴杆安装板5与弹簧限位板17的距离不变，实验中轻弹簧7压缩长度相同，重复上步实验，用打点计时器3和纸带4测出小车10获得的速度，设此时轻弹簧7对小车10做的功为2w，将这一组数据记入表格；

（4）用3根、4根、5根同样规格的轻弹簧7做实验，用同样的方法测出功和速度，记入表格；

（5）把实验装置放回原处；

（6）在坐标纸上画出图线（“w”以一根弹簧做的功为单位）；

（7）从图线分析得出变力对物体做功与物体速度变化的关系，即为初速度为零，合外力做功正比于速度二次方。

本发明的力学综合实验测量装置的探究弹性势能与改变量之间关系的实验操作步骤如下。

1．仪器安装：（1）用两个螺帽和垫片将挡片固定到适当位置，（2）把轻弹簧7放到螺杆21上；

2.测量与记录：（1）利用天平测量出小车10的质量，（2）先用一根轻弹簧7，放到5根轴杆的中间轴杆上并利用轴杆安装板5和弹簧限位板17压缩弹簧，利用刻度尺测量出弹簧的压缩量x；（3）理顺纸带4，接通打点计时器3的电源，释放小车10。弹簧弹性势能转化为小车10动能，用打点计时器3和纸带4测出小车10获得的速度，将这一组数据记入表格换算成小车动能；（4）同一根轻弹簧7分别调节挡片位置4次重复上述步骤做实验，用同样的方法测出速度，记入表格换算成小车的动能；（5）把实验装置放回原处；（6）在坐标纸上画出图线；（7）从图线分析得出弹簧弹性势能与弹簧改变量之间的关系，即为同一根弹簧，弹簧弹性势能正比于弹簧改变量二次方。

本发明的力学综合实验测量装置的一种探究小车速度随时间变化关系的实验操作步骤如下。

1．仪器安装：（1）把一端附有定滑轮14的导轨18放在实验桌上，并使定滑轮14伸出桌面，把打点计时器3固定在导轨18另一端固定连接的计时器安装座2上，将打点计时器3接上电源；（2）将本实验装置组装完并放置好后，把线绳12拴在小车10的带孔连接头11上，固定好线绳12一端，线绳12另一端跨过定滑轮14，下边挂上合适的钩码9，把纸带4穿过打点计时器3，并把纸带4的一端固定在小车10的车尾部。释放小车后，看小车10能否在导轨18上平稳地加速滑行；

2．测量与记录：（1）把小车10停在靠近打点计时器3处，先将打点计时器3接通电源，然后放开小车10，让小车10拖着纸带4运动，打点计时器3就在纸带4上打下一系列的点，换上新纸带，重复三次；（2）从三条纸带中选择一条比较理想的，舍掉开头一些比较密集的点，从后边便于测量的点开始确定计数点，为了计算方便和减小误差，通常用连续打点五次的时间作为时间单位，即计数点的时间间隔为t＝0.1s；正确使用毫米刻度尺测量每相邻两计数点间的距离，并填入设计的表格中；（3）利用某一段时间的平均速度等于这段时间中间时刻的瞬时速度求得各计数点的瞬时速度；（4）增减所挂钩码9数，再重复实验两次。

本发明的力学综合实验测量装置的一种探究加速度与力、质量的关系的实验操作步骤如下。

1．这次实验中需要另配备的实验器材包括：砝码若干；

2．仪器安装：利用悬挂于定滑轮14外侧的线绳12端部系接上盛放有砝码的小盘，把实验器材安装好，只是不把悬挂小盘的线绳12系在小车10上(即不给小车10牵引力)；

3．平衡摩擦力：导轨18上打好润滑油，反复调节平衡调节螺杆16，使小车在导轨18上做匀速直线运动；

4．数据计算和记录：（1）保持小车10的质量不变：把小车10靠近打点计时器3，挂上小盘和砝码，先将点计时器3接通打电源，再让小车10拖着纸带4在导轨18上匀加速下滑，打出一条纸带；计算小盘和砝码的重力，即为小车10所受的合力，由纸带计算出小车10的加速度，并把力和对应的加速度记录下；改变小盘内砝码的个数，并多做几次；（2）保持小盘内的砝码个数不变：通过改变放在小车10内的钩码9的个数来改变小车10的质量，让小车10在导轨18上滑动打出纸带；计算砝码和小车10的总质量m，并由纸带计算出小车10对应的加速度，并将所对应的质量和加速度记录下。改变小车10上钩码9的个数，并多做几次。

本发明的力学综合实验测量装置将导轨18替代以往的木板，有效地控制了小车10的运动方向，增强了实验的可操作性；将轻弹簧7替代以往的橡皮筋，可以有效控制轻弹簧7的改变量，更有利于通过增加轻弹簧7数量对功进行间接测量；多根轻弹簧7产生的平行力替代多条橡皮筋产生的共点力，增强了小车10受力的稳定性。利用本发明这套装置还可以应用于力学的其他三个实验，将力学四个实验合为一个实验。它们分别是从运动学角度可以来探究小车10速度随时间变化关系；从动力学角度可以来探究加速度与力、质量的关系；从能量角度可以来探究功与速度变化的关系和探究轻弹簧7的弹性势能与弹簧形变量之间关系。换句话说，一个装置，四个实验，三个角度。其中四个实验是高考考试大纲中要求必须掌握的实验。

可以理解的是，以上关于本发明的具体描述，仅用于说明本发明而并非受限于本发明实施例所描述的技术方案，本领域的普通技术人员应当理解，仍然可以对本发明进行修改或等同替换，以达到相同的技术效果；只要满足使用需要，都在本发明的保护范围之内。